动车组玻璃钢车头及联接结构建模方法研究

李晓峰，孙博飞，高峰( .大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连608; .中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063000)*

动车组玻璃钢车头及联接结构建模方法研究

李晓峰1，孙博飞1，高峰2
( 1.大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028; 2.中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063000)*

对某型动车组玻璃钢车头模型进行合理简化，依据EN12663－2010标准确定载荷工况，完成对玻璃钢车头及其联接螺栓的强度校核.通过两种建模方案的对比，确定玻璃钢车头的合理的建模方式.计算结果表明:玻璃钢主结构及连接螺栓均满足设计要求，以壳单元和梁单元来建模与实体化建模结果无明显差异且节省计算时间.

高速列车;玻璃钢车头;强度校核;方案对比

0 引言

高速重载是我国铁路发展的必然趋势，我国引进动车组技术后，列车的运行速度不断提高，行车阻力明显增加.列车高速交会时会对列车表面产生瞬态的压力冲击，严重危害行车安全.我国既有铁路干线客、货列车不能分时分线运行，且线间距较小，使列车的空气动力问题成为制约列车提速的主要因素［1］.为了降低空气阻力对列车的影响，解决高速列车的空气动力学问题，许多专家做了大量的研究.聂永红等对流线型列车头部端盖自动开闭机构进行了研究［2］.张经强，梁习锋运用流体动力学数值计算软件CFX5.3对动车组进行了数值模拟计算并对列车头部进行了改进［3］.姚拴宝等针对高速列车头部外形的气动减阻问题，提出了一套基于实数编码遗传算法的变光滑因子广义回归神经网络响应面模型( GA-GRNN)的气动外形优化方法［4］.Woodward C D 以NURBS曲线曲面的数学模型为基础，在AutoCAD 的ARX和I-deas的Open I-deas开发平台上提出了流线型列车头部外形设计算法［5］.玻璃钢作为一种新型复合材料，以其质量轻、机械强度高、耐腐蚀和电性能好及加工性能优良等特点［6］，正逐步应用于高速列车车头部位，其强度与列车安全性密切相关.

本文对某型动车组玻璃钢车头模型进行合理简化，依据EN12663-2010铁路车辆车体的结构要求确定载荷工况，对高速动车组玻璃钢车头及其与车体联接结构进行强度有限元分析与评价.为确定玻璃钢车头合理的建模方法，对该型动车组玻璃钢车头分别用两种方法建模，通过对两种建模方案的联接螺栓以及玻璃钢部件的应力对比分析，最终确定了玻璃钢车头的合理的建模方案.

1 玻璃钢车头结构及计算载荷

高速动车组玻璃钢车头结构主要由车头主结构、开闭结构、裙板和前端安装支架等组成，其几何结构见图1.车头主结构、开闭机构、裙板均为玻璃钢复合材料.玻璃钢车头与车体之间由胶体以及螺栓联接.车头结构部件的主要材料性能参数见表1.

图1 高速动车组玻璃钢车头结构

表1 玻璃钢车头材料性能参数

依据EN12663-2010标准确定动车组玻璃钢车头有限元分析计算的载荷工况时，将其作为联接在车体上的一个附属设备，并根据其承受列车双向运行时产生的空气动力学压力，共确定了8种载荷工况，见表2.

表2 玻璃钢车头载荷工况汇总

2 玻璃钢车头计算模型

根据玻璃钢车头的三维实体模型，以及各部件之间的联接关系对该车头进行有限元建模.由于几何模型在横向上对称，故有限元模型采用对称模型计算.凡是对玻璃钢车头整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑.全部实体化建模方案一中有限元模型主要由六面体单元组成，其单元总数为745473;结点总数为1118803.其中:利用接触关系定义螺栓垫圈与玻璃钢、玻璃钢与大垫圈以及大垫圈与铝合金车体之间的相互作用关系，共计定义13个接触对.有限元模型见图2( a).用平面壳单元与梁单元的建模方案二中，其单元总数为556321;结点总数为773128.有限元模型见图2( b).

图2 车头玻璃钢部件有限元模型

3 计算分析

3.1螺栓总拉力及预紧力的计算方法

螺栓在安装时，每个螺栓受有预紧力QP，当承受轴向工作载荷F后，由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力不等于预紧力QP和工作拉力F之和;而是与QP，F和螺栓刚度CL，被连接件的刚度CF有关，当应变在弹性变形范围内，各零件受力可根据静力平衡和变形协调条件进行分析.因此，螺栓的总拉力等于预紧力加上部分工作载荷，即:

另外，螺栓在预紧力Qp作用下的螺杆拉应力为

联接螺栓参数:直径为12 mm、预紧力矩28 N·m，代入式( 2)计算得到螺栓预紧力为11 667 N.

3.2建模方案一分析结果

在各计算工况作用下，建模方案一的计算结果见表3.由表3可以看出:螺栓应力主要受螺栓预紧力影响，工作工况对其影响不大;气动载荷工况较其他工况对车头影响大，工况7下主结构、螺栓最大Von.Mises应力分别为69.7、290.3 MPa，应力云图参见图3和图4;各结构计算结果均符合设计要求.

表3 玻璃钢车头计算结果汇总表 MPa

图3 主结构Von.Mises应力云图(方案一)

图4 螺栓Von.Mises应力云图(方案一)

由于建模方案一考虑了螺栓的预紧力，所以主结构的应力在加速度工况作用下比较大，不考虑联接螺栓预紧力影响的部位玻璃钢车头主结构应力与螺栓的拉应力见表4.

表4 玻璃钢车头主结构计算结果汇总表 MPa

3.3建模方案二分析结果

在各计算工况作用下，建模方案二的计算结果见表5.依据车头在各静强度计算工况作用下的有限元分析结果，提取了考核螺栓的内力，作为螺栓工作拉力的计算数据.由于螺栓在装配时必须将螺母拧紧，所以螺栓螺纹部分不仅受预紧力所产生的拉应力的作用，同时还受螺纹副间的摩擦力矩所产生的扭转应力的作用，因此计算时将工作应力增大30%，以考虑扭转力矩的影响.工况7下主结构应力云图如图5所示.

图5 主结构Von.Mises应力云图(方案二)

4 结论

通过两种建模方式，对玻璃钢车头主结构及其与车体联接螺栓进行有限元分析，结果显示: 8种载荷工况作用下，玻璃钢车头重要部件及连接螺栓强度均满足设计要求;两种建模方式车头主结构最大应力发生位置基本一致，应力大小无明显差异，用梁单元模拟螺栓比用接触关系模拟螺栓的应力略小.通过此次分析可以发现，采用预紧单元施加预紧力能直接、准确地模拟预紧力的作用，但建模方式复杂，所需计算资源较大，耗费时.

［1］田红旗.中国列车空气动力学研究进展［J］.交通运输工程学报，2006，6( 1) : 1-9.

［2］聂永红，刘国伟，丁叁叁.流线型列车头部端盖自动开闭机构选型分析［J］.中国铁道科学，2003( 3) : 30-33.

［3］张经强，梁习锋.高速列车外形的气动性能数值计算和头部外形的改进［J］.计算力学学报，2003，20( 5) : 631-635.

［4］姚拴宝，郭迪龙，杨国伟.基于GA-GRNN的高速列车头型三维优化设计［J］.中国科学(技术科学)，2012，42( 11) : 1283-1294.

［5］WOODWARD C D.Skinning Techniques for Interactive B-Spline Surface Interpolation［J］.Computer-Aided Design，1988，20( 8) : 441-451.

［6］刘钧，曾竟成，马良，等.高速列车机车用复合材料车头盖的研制［J］.纤维复合材料，2003( 4) : 36-38.

Study of EMU GRP Front and Coupling Structure Modeling Method

LI Xiaofeng1，SUN Bofei1，GAO Feng2
( 1.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063000，China)

A type of EMU GRP front model was simplified based on criteria EN12663-2010 to determine load cases，and the strength of the GRP front and connecting bolts were checked.By comparing the two modeling programs，the reasonable modeling method of the GRP front is determined.The results show that the main structure of the GRP and bolts meet the design requirements with no significant differences in calculation and time saving.

high-speed trains; GRP front; strength check; program comparison

A

1673-9590( 2016) 01-0036-04

2015-05-13

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目( 2014J004－N)

李晓峰( 1972－)，男，副教授，博士，主要从事车辆CAE关键技术的研究

E-mail: lixiaofeng2007@126.com.